基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核開發流程

引言

SOPC(System On a Programmable Chip,可編程芯片系統)就是在一個可編程芯片上實現一個電子系統的技術。SOPC是可編程邏輯器件技術和SoC(System on Chip)技術發展與融合的產物[12]。

SOPC的關鍵技術之一就是IP核，也就是知識產權核。所謂的IP核就是指將一些比較復雜的功能模塊，如音頻編/解碼、SDRAM等，設計成可以修改參數的模塊，可以直接調用。實際的SOPC設計過程，用戶常常有特殊的需求，而EDA廠商未提供該IP核。所以，在設計中添加用戶自定義組件顯得特別重要。

1　Avalon總線

SOPC組件通過Avalon交換架構或者Avalon總線連接在一起，SOPC系統的可定制特性要求Avalon總線也具備靈活的可定制特性。Avalon總線是一種協議較為簡單的同步總線，有其規范及傳輸模式。

Avalon總線是由Altera公司開發的一種專用的用于連接SOPC系統組件及從組件的內部連線技術，它是由SOPC Builder自動生成，是一種理想的用于系統處理器和外設之間的內連總線。一般使用的是Avalon從端口。一個典型從端口包含的信號如表1所列。

表1　Avalon從端口信號

Avalon總線使用很少的邏輯資源支持數據總線復用、地址譯碼、產生等待周期和高級交換式總線傳輸。該總線為用戶提供非常友好的接口，屏蔽搭建系統的細節，減輕了系統搭建的工作量。

2　SHT11自定義IP核的開發

2.1　SHT11溫濕度傳感器

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的SHTxx系列數字溫濕度傳感器。它是基于先進的CMOSens數字傳感技術，具有極高的可靠性和長期穩定性。全量程標定，兩線數字接口，大大縮短研發時間，簡化外圍電路并降低費用。此外，具有體積小、響應迅速、能耗低、可浸沒、抗干擾能力強、溫濕一體的特點，兼有露點測量，性價比高，使該產品能夠適于多種場合的應用。SHT11的高級功能是通過狀態寄存器來實現的[3]。

圖1為系統結構圖。由圖可知，系統主要分為接口模塊和行為模塊，行為模塊實現芯片的驅動邏輯功能，接口模塊通過內部總線和Avalon總線相連，實現了對行為模塊的控制。利用SOPC Builder建立系統，通過數據線和時鐘線來控制SHT11。其中要加上10 kΩ的上拉電阻。

圖1　系統結構圖

采用自定義IP核的方式，也就是把SHT11看成外部存儲器或者是I/O設備，將其作為從設備連接到Nios II嵌入式處理器的Avalon總線上，系統用訪問I/O設備或者是讀寫寄存器的方式對其進行控制。所以，編寫自定義IP核的時候，根據實體SHT11的時序要求，編寫驅動、接口等，靈活地控制并實現復雜的時序。其中可以按照自己的需求靈活地定義狀態、標志位、控制位等。設計完成后，獨立添加到SOPC Builder，用戶可以直接使用。該方法比單純利用PIO內核更加節省處理器的開銷，充分發揮了處理器的能力[46]。